Γιατί ο άνθρακας έχει υψηλό σημείο τήξης;

Στον τομέα της χημείας και της επιστήμης των υλικών, ο άνθρακας έχει προσελκύσει μεγάλη προσοχή λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων του και της ευρείας παρουσίας του. Το εξαιρετικά υψηλό σημείο τήξης του προσδίδει σταθερότητα σε ακραία περιβάλλοντα. Και παίζει βασικό ρόλο στην πυρομεταλλουργία, την κατασκευή πυρίμαχων και υπερσκληρών υλικών.

Δομική του άνθρακα

Ο άνθρακας έχει στη φύση μια ποικιλία αλλοτροπών, όπως το διαμάντι, γραφίτης και φουλερένιο. Λόγω της διαφορετικής διάταξης των ατόμων, οι φυσικές και χημικές ιδιότητες διαφέρουν σημαντικά.

Το διαμάντι είναι ένας ατομικός κρύσταλλος, άτομα άνθρακα σε ομοιοπολικούς δεσμούς για να χτίσουν μια τρισδιάστατη δομή δικτύου. Κάθε άτομο άνθρακα και τα τέσσερα άτομα άνθρακα που το περιβάλλουν συνδέονται για να σχηματίσουν ένα κανονικό τετράεδρο, η συνολική δομή είναι σταθερή.

Ο γραφίτης είναι στρωματοποιημένος, τα άτομα άνθρακα στο στρώμα σχηματίζουν ένα εξαγωνικό δίκτυο με ομοιοπολικούς δεσμούς και οι ομοιοπολικοί δεσμοί είναι ισχυροί. Στο στρώμα ασκείται μια ασθενής δύναμη van der Waals. Αυτό κάνει τον γραφίτη να έχει καλή αγωγιμότητα και λιπαντικότητα στην παράλληλη κατεύθυνση του στρώματος και έχει μια ορισμένη σταθερότητα.

Εκπροσωπείται από την C60, το φουλερένιο είχε σχήμα ποδοσφαίρου και αποτελούνταν από 60 άτομα άνθρακα σε μορφή μπάλας. Κάθε άτομο άνθρακα συνδεόταν με τρία γειτονικά άτομα άνθρακα μέσω ομοιοπολικού δεσμού. Με βάση τον ομοιοπολικό δεσμό, το φουλερένιο είχε ορισμένη σταθερότητα.

Λόγοι για το υψηλό σημείο τήξης του άνθρακα

Ομοιοπολικός δεσμός

Το υψηλό σημείο τήξης του άνθρακα οφείλεται κυρίως στον ισχυρό ομοιοπολικό δεσμό μεταξύ των ατόμων του. Στο διαμάντι, κάθε άτομο άνθρακα σχηματίζει έναν ισχυρό ομοιοπολικό δεσμό με τα τέσσερα άτομα άνθρακα που το περιβάλλουν. Οι ομοιοπολικοί δεσμοί είναι οι δεσμοί που σχηματίζονται με την ανταλλαγή ηλεκτρονίων μεταξύ των ατόμων, οι οποίοι ουσιαστικά αποτελούν την ισχυρή έλξη του πυρήνα προς το ζεύγος των διαμοιραζόμενων ηλεκτρονίων. Στη δομή του διαμαντιού, αυτός ο ομοιοπολικός δεσμός μπορεί να είναι πολύ υψηλός. Και για να σπάσουν αυτοί οι ομοιοπολικοί δεσμοί και να διαχωριστούν τα άτομα άνθρακα, απαιτείται πολλή ενέργεια.

Πάρτε το διαμάντι ως παράδειγμα, ο δεσμός C-C έχει δεσμό περίπου 347 kj/mol. Όταν θερμαίνεται, η ενέργεια που παρέχεται από τον εξωτερικό κόσμο πρέπει να είναι αρκετή για να ξεπεράσει τη δέσμευση αυτών των ομοιοπολικών δεσμών. Για να αλλάξει η σχετική θέση του ατόμου του άνθρακα και έτσι να μετατραπεί από στερεό σε υγρό. Αντίθετα, ορισμένα μόρια της ύλης, όπως ο πάγος, αλληλεπιδρούν με τη δύναμη van der Waals μέσω ασθενέστερων δεσμών υδρογόνου και με σημείο τήξης 0. Όταν ο πάγος λιώνει, αρκεί να καταστραφούν αυτές οι ασθενείς δυνάμεις μεταξύ των μορίων. Χωρίς να καταστρέψει τους ομοιοπολικούς δεσμούς στο εσωτερικό των μορίων του νερού, οπότε απαιτεί λιγότερη ενέργεια.

Στον γραφίτη, αν και υπάρχει μια ασθενής δύναμη van der Waals μεταξύ των στρωμάτων. Τα άτομα άνθρακα σε κάθε στρώμα σχηματίζουν ένα σταθερό επίπεδο δίκτυο μέσω ομοιοπολικών δεσμών. Ο ομοιοπολικός δεσμός σε αυτό το στρώμα έχει επίσης υψηλή ενέργεια δεσμού. Έτσι, όταν ο γραφίτης θερμαίνεται, η δομή του στρώματος μπορεί να διατηρηθεί σχετικά σταθερή. Και απαιτείται υψηλότερη θερμοκρασία για να αλλάξει σημαντικά η όλη δομή.

Τα άτομα άνθρακα είναι σφιχτά συσκευασμένα

Εκτός από τη δράση των ομοιοπολικών δεσμών, η σφιχτή συσσώρευση ατόμων στην κρυσταλλική δομή του άνθρακα παίζει επίσης σημαντικό ρόλο στο υψηλό σημείο τήξης του. Στο τρισδιάστατο πλέγμα του διαμαντιού, τα άτομα του άνθρακα είναι τοποθετημένα με εξαιρετικά τακτοποιημένο και συμπαγή τρόπο. Αυτή η σφιχτή συσσώρευση καθιστά την απόσταση μεταξύ των ατόμων πολύ μικρή και η αλληλεπίδραση μεταξύ των ατόμων αυξάνεται περαιτέρω.

Σύμφωνα με τη θεωρία της κρυσταλλικής δομής, η πυκνή συσσώρευση ατόμων μπορεί να βελτιώσει την πυκνότητα και τη σταθερότητα των κρυστάλλων. Στα διαμάντια, η ενέργεια πλέγματος είναι μεγαλύτερη λόγω της συμπαγούς συσσώρευσης ατόμων. Η ενέργεια πλέγματος αναφέρεται στην ενέργεια που απορροφάται από τον ιοντικό κρύσταλλο σε αέρια θετικά ιόντα και αέρια αρνητικά ιόντα υπό κανονικές συνθήκες. Για τους ατομικούς κρυστάλλους, μπορείτε να τη συγκρίνετε με την ενέργεια που απαιτείται για τη διάσπαση της κρυσταλλικής δομής. Όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια πλέγματος, τόσο πιο σταθερός είναι ο κρύσταλλος, τόσο υψηλότερο είναι το σημείο τήξης.

Παρόλο που υπάρχει κάποιο κενό μεταξύ των στρώσεων του γραφίτη, τα άτομα άνθρακα σε κάθε στρώση είναι επίσης σφιχτά τοποθετημένα. Αυτή η σφιχτή συσσώρευση στο στρώμα συμβάλλει επίσης στη βελτίωση της σταθερότητας και του σημείου τήξης του γραφίτη. Σε κάθε στρώμα γραφίτη, η δομή εξαγωνικού πλέγματος που σχηματίζεται από τα άτομα άνθρακα κάνει την αλληλεπίδραση μεταξύ των ατόμων να φτάνει σε κατάσταση ισορροπίας. Αυτό απαιτεί υψηλή ενέργεια για να σπάσει αυτή η ισορροπία.

Σύγκριση του σημείου τήξης του άνθρακα με άλλα στοιχεία

Σε σύγκριση με άλλα στοιχεία, το σημείο τήξης του άνθρακα έχει σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των κοινών στοιχείων.

Για παράδειγμα, ο σίδηρος, το σημείο τήξης του οποίου είναι περίπου 1538 °C, είναι ένας μεταλλικός κρύσταλλος που συνδέεται με μεταλλικούς δεσμούς. Και η αλληλεπίδραση μεταξύ μεταλλικών κατιόντων και ελεύθερων ηλεκτρονίων ξεπερνιέται όταν λιώνει.

Και το θείο υπάρχει συχνά σε S8 μόρια, μοριακοί κρύσταλλοι. Λόγω της ασθενούς δύναμης van der Waals μεταξύ των μορίων, το σημείο τήξης είναι μόνο 115,21°C.

Ο άνθρακας, είτε πρόκειται για διαμάντι, είτε για γραφίτη, λόγω του διατομικού ομοιοπολικού δεσμού και της στενής δομής συσκευασίας, το σημείο τήξης είναι πολύ υψηλότερο από πολλά κοινά στοιχεία. Το σημείο τήξης του άνθρακα είναι περίπου 3550 °C (3824K), είναι εξαιρετικά σταθερό σε υψηλές θερμοκρασίες και αποτελεί βασικό υλικό σε ειδικές εφαρμογές.

Πρακτική εφαρμογή του υψηλού σημείου τήξης του άνθρακα

Πυρίμαχα υλικά:

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ευρέως τον άνθρακα στην κατασκευή πυρίμαχα υλικά λόγω του υψηλού σημείου τήξης του. Στη μεταλλουργική βιομηχανία, η επένδυση του κλιβάνου υψηλής θερμοκρασίας πρέπει να είναι ανθεκτική στην υψηλή θερμοκρασία και στη διάβρωση. Τα σύνθετα υλικά που περιέχουν γραφίτη και άνθρακα μπορούν να αντέξουν στο σκληρό περιβάλλον, να προστατεύσουν το σώμα του κλιβάνου και να παρατείνουν τη διάρκεια ζωής του κλιβάνου. Για παράδειγμα, το χωνευτήρι γραφίτη μπορεί να αντέξει την τήξη λιωμένου χάλυβα σε υψηλή θερμοκρασία στην παραγωγή χάλυβα.

Υπερσκληρά υλικά:

Το διαμάντι, ως αλλότριο του άνθρακα, έχει γίνει η πρώτη επιλογή για την κατασκευή υπερσκληρών υλικών λόγω της μεγάλης σκληρότητας και του υψηλού σημείου τήξης του. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε διαμαντένια εργαλεία στα μηχανήματα, στην επεξεργασία πέτρας και σε άλλους τομείς. Κατά την κοπή με υψηλή ταχύτητα, το υψηλό σημείο τήξης το καθιστά σταθερό σε υψηλή θερμοκρασία και υψηλή πίεση. Βελτιώνοντας την ακρίβεια και την αποτελεσματικότητα της επεξεργασίας. Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε συνθετικά διαμάντια για την κατασκευή εργαλείων γεώτρησης για την εξερεύνηση πετρελαίου και τη γεωλογική εξερεύνηση.

Ηλεκτρονικές συσκευές:

Στον τομέα των ηλεκτρονικών συσκευών, το υψηλό σημείο τήξης του άνθρακα παίζει σημαντικό ρόλο. Ημιαγωγός η κατασκευή απαιτεί περιβάλλον υψηλών θερμοκρασιών για την ανάπτυξη κρυστάλλων, την πρόσμιξη και άλλες διεργασίες. Λόγω του υψηλού σημείου τήξης, της καλής ηλεκτρικής αγωγιμότητας και της χημικής σταθερότητας, μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για την κατασκευή θερμαντικών στοιχείων, χωνευτηρίων και άλλων εξαρτημάτων. Για να διασφαλίσετε τον ακριβή έλεγχο της διαδικασίας κατασκευής ημιαγωγών και την παραγωγή υψηλής ποιότητας.

Συμπέρασμα

Το υψηλό σημείο τήξης του άνθρακα οφείλεται στη μοναδική δομή του, οι ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ των ατόμων είναι ισχυροί και σφιχτά συσσωρευμένοι και η τήξη απαιτεί πολλή ενέργεια. Σε σύγκριση με άλλα στοιχεία, η ιδιότητα αυτή τον καθιστά πλεονεκτικό σε πολλούς τομείς. Και θα βοηθήσει επίσης στην ανάπτυξη περισσότερων υλικών με βάση τον άνθρακα υψηλής απόδοσης στο μέλλον.